本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2012年01月24日、申請(qǐng)?zhí)枮?01280068025.4、名稱為"用于能量存儲(chǔ)裝置的離子透過(guò)結(jié)構(gòu)"的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

本發(fā)明一般涉及用于能量存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)，涉及并入這樣的結(jié)構(gòu)的能量存儲(chǔ)裝置，并涉及用于制造這樣的結(jié)構(gòu)和能量裝置的方法。

背景技術(shù)：

搖椅或插入式二次電池是一種能量存儲(chǔ)裝置，其中諸如鋰、鈉或鉀離子的載流子離子通過(guò)電解質(zhì)在陽(yáng)極和陰極之間移動(dòng)。二次電池可包括單個(gè)電池單元，或多于兩個(gè)被電耦合以形成電池的電池單元，每個(gè)電池單元包括陽(yáng)極單極、陰極電極和電解質(zhì)。

在搖椅電池單元中，陽(yáng)極和陰極都包括其中插入和提取載流子離子的材料。隨著單元被放電，載流子離子從陽(yáng)極被提取并被插入到陰極中。隨著單元被充電，發(fā)生相反的過(guò)程：載流子離子從陰極被提取并被插入到陽(yáng)極中。

圖1示出了諸如非水性鋰離子電池的現(xiàn)有的能量存儲(chǔ)裝置的電化學(xué)疊層的橫截面圖。電化學(xué)疊層1包括陰極集電體2，其上組裝有陰極層3。該層覆蓋有微孔隔離體4，其上放置有陽(yáng)極集電體5和陽(yáng)極層6的組合。該疊層有時(shí)候被陽(yáng)極集電體5之上的另一隔離體層(未示出)覆蓋，被軋制并填塞為罐，并用非水電解質(zhì)填充以組裝成二次電池。

陽(yáng)極和陰極集電體匯聚來(lái)自各個(gè)活性電化學(xué)電極的電流，并將電流傳輸?shù)诫姵匾酝獾沫h(huán)境。陽(yáng)極集電體的一部分與陽(yáng)極活性材料物理接觸，而陰極集電體的一部分與陰極活性材料接觸。集電體不參與電化學(xué)反應(yīng)，且因此被限制為用于陽(yáng)極和陰極的各個(gè)電化學(xué)電位范圍中電化學(xué)性穩(wěn)定的材料。

為了使得集電體能將電流帶到電池以外的環(huán)境，其被典型地連接到接頭(tab)、端頭(tag)、封裝饋通或外殼饋通，典型地被統(tǒng)稱為接觸。接觸的一端連接到一個(gè)或多個(gè)集電體，而另一端穿過(guò)電池封裝，以電連接到電池外部的環(huán)境。通過(guò)焊接、壓接卷曲(crimping)或超聲波接合或經(jīng)由導(dǎo)電膠粘合、陽(yáng)極接觸連接到陽(yáng)極集電體，而陰極接觸連接到陰極集電體。

在充電過(guò)程中，隨著鋰離子進(jìn)入到陽(yáng)極層6，鋰離開(kāi)陰極層3并穿過(guò)隔離體4。根據(jù)使用的陽(yáng)極材料，鋰離子嵌入(例如，位于陽(yáng)極材料的基體中而沒(méi)有形成合金)或形成合金。在放電過(guò)程中，鋰離開(kāi)陽(yáng)極層6并穿過(guò)隔離體4，并進(jìn)入到陰極層3。集電體將來(lái)自電池接觸(未示出)的電子傳導(dǎo)到電極，或反之亦然。

現(xiàn)有的能量存儲(chǔ)裝置，諸如電池、燃料電池和電化學(xué)電容器，典型地具有如圖1所示的二維分層結(jié)構(gòu)(例如平面或螺旋纏繞積層)，每個(gè)積層的表面區(qū)域大致等于其幾何足跡(忽略孔隙率和表面粗糙度)。

已在文獻(xiàn)中提出了三維電池，作為改善電池容量和活性材料利用率的方法。已提出相比于二維分層電池結(jié)構(gòu)，三維結(jié)構(gòu)可被用來(lái)提供更多的表面面積和更高的能量。由于從較小的幾何區(qū)域可獲得的增加的能量，制造三維能量存儲(chǔ)裝置有益處，參見(jiàn)例如rust等人的wo2008/089110以及l(fā)ong等人的“three-dimensionalbatteryarchitectures”，chemicalreviews,(2004),104,4463-4492。

已提出了新的陽(yáng)極和陰極材料，作為改善能量密度、安全性、充電/放電率以及二次電池生命周期的方法。一些這樣的新的高容量材料，諸如鋰電池中的硅、鋰或錫陽(yáng)極具有顯著的容量擴(kuò)展，其在鋰插入和提取期間引起現(xiàn)有電流的解體和剝落。例如，已展示了硅陽(yáng)極用作碳電極的替代物，因?yàn)楣桕?yáng)極具有提供鋰電池應(yīng)用的每單位體積主體材料的更多能量的能力，參見(jiàn)konishiike等人的美國(guó)專利公開(kāi)號(hào)2009/0068567，以及kasavajjula等人的“nano-andbulk-silicon-basedinsertionanodesforlithium-ionsecondarycells,”journalofpowersources163(2007)1003-1039。當(dāng)鋰被插入到陽(yáng)極時(shí)，鋰硅化物的形成導(dǎo)致了明顯的體積變化，這會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂形成和陽(yáng)極的粉碎。結(jié)果，隨著電池被反復(fù)充放電，電池容量可被減少。

已提出了單片電極，即，包括大量電極材料、不使用粘合劑而能保持其形狀的電極，作為替換為以改善相對(duì)于顆粒電極的性能(重量和體積能量密度、速率等)，其中顆粒電極被模制成形或以其他方式成形并取決于導(dǎo)電劑或接合劑以保持顆粒材料的聚集體的幾何形狀。單片陽(yáng)極，例如可包括大量的硅(例如單晶硅、多晶硅、非晶硅或其組合等)，或其可包括結(jié)塊的顆粒堆，其被燒結(jié)或以其方式被處理以將陽(yáng)極材料熔合在一起，并移除任何接合劑。在一個(gè)這樣的示例性實(shí)施例中，硅晶片可被用作用于鋰離子電池的單片陽(yáng)極材料，晶片的一側(cè)通過(guò)隔離體與第一陰極元件耦合，而另一側(cè)與相對(duì)的第二陰極元件耦合。在這樣的布置中，一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)是在有效利用電池內(nèi)部的可用空間的同時(shí)從單片電極收集電流并攜帶到電池外部的能力。

也可通過(guò)減少非活性部件重量和體積來(lái)增加傳統(tǒng)電池的能量密度，以更有效地組裝電池。由于組成集電體的箔片是最小的厚度以便能足夠強(qiáng)壯來(lái)存活于活性材料應(yīng)用處理中，當(dāng)前的電池使用相對(duì)厚的集電體。如果做出一件發(fā)明是為了將電流收集從處理限制中分隔開(kāi)來(lái)，可預(yù)料到性能優(yōu)勢(shì)。

盡管存在各種方法，仍然需要一種改善的電池容量和活性材料利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在本發(fā)明的各方面，提供了一種離子透過(guò)的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，在此被稱為離子透過(guò)導(dǎo)電體層，或更簡(jiǎn)單地，ipc或ipc層，用于能量存儲(chǔ)裝置，諸如電池、燃料電池和電化學(xué)電容器。在特定實(shí)施例中，例如，這樣的層可能在電極活性材料的表面更均勻地分布電流，減少非活性部件的電池和其他能量存儲(chǔ)裝置的重量和容量，以更有效地組裝裝置，使得電接觸系統(tǒng)的厚度能被改變，而不受處理?xiàng)l件的限制，和/或在電池操作期間，當(dāng)結(jié)合顆粒電極(即，顆粒電極活性材料和導(dǎo)電劑或其他接合劑的已被模制或以其他方式成形且依賴于導(dǎo)電劑或其他接合劑來(lái)維持其形狀的復(fù)合物)和單片式電極使用時(shí)提供其他顯著優(yōu)勢(shì)。

因此，簡(jiǎn)言之，本發(fā)明的一方面是一種電化學(xué)疊層，包括載流子離子、包含陽(yáng)極活性材料層的陽(yáng)極、包括陰極活性材料層的陰極、位于陽(yáng)極和陰極之間并包括多空介電材料和非水電解質(zhì)的隔離體，以及位于隔離體和電極活性材料層之間的離子透過(guò)導(dǎo)體層，電極活性材料是陽(yáng)極活性材料層或陰極活性材料層。一旦施加電流以在電化學(xué)疊層中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給電化學(xué)疊層放電：(i)載流子離子在陽(yáng)極和陰極活性材料層之間移動(dòng)，且當(dāng)它們?cè)陉?yáng)極和陰極活性材料層之間移動(dòng)時(shí)穿過(guò)離子透過(guò)導(dǎo)體層和隔離體；(ii)陽(yáng)極活性材料層、陰極活性材料層以及離子透過(guò)導(dǎo)體層，每個(gè)具有電氣電導(dǎo)(electricalconductance)；(iii)陽(yáng)極活性材料層、陰極活性材料層、離子透過(guò)導(dǎo)體層和隔離體每個(gè)具有用于載流子離子的離子電導(dǎo)(ionicconductance)；(iv)離子透過(guò)導(dǎo)體層的離子電導(dǎo)與隔離體的離子電導(dǎo)的比例是至少0.5:1；(v)離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)電極活性材料層的電氣電導(dǎo)的比例是至少100:1；以及(vi)離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)離子電導(dǎo)的比例是至少1000:1。

本發(fā)明的另一方面是一種能量存儲(chǔ)裝置。該能量存儲(chǔ)裝置，例如二次電池，包括電化學(xué)疊層，其包含載流子離子、含有陽(yáng)極活性材料層的陽(yáng)極、含有陰極活性材料層的陰極、位于陽(yáng)極和陰極之間且含有多孔介電材料和非水電解質(zhì)的隔離體、以及位于隔離體和電極活性材料層之間的離子透過(guò)導(dǎo)體層，電極活性材料是陽(yáng)極活性材料層或陰極活性材料層。一旦施加電流以在所述電化學(xué)疊層中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給所述電化學(xué)疊層放電：(i)載流子離子在陽(yáng)極和陰極活性材料層之間移動(dòng)，且當(dāng)其在陽(yáng)極和陰極活性材料層之間移動(dòng)時(shí)穿過(guò)離子透過(guò)導(dǎo)體層和隔離體；(ii)陽(yáng)極活性材料層、陰極活性材料層和離子透過(guò)導(dǎo)體層每個(gè)具有電氣電導(dǎo)；(iii)陽(yáng)極活性材料層、陰極活性材料層、離子透過(guò)導(dǎo)體層和隔離體每個(gè)都具有用于載流子離子的離子電導(dǎo)；(iv)離子透過(guò)導(dǎo)體層的離子電導(dǎo)對(duì)隔離體的離子電導(dǎo)的比例至少是0.5:1；(v)離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)電極活性材料層的電氣電導(dǎo)的比例是至少100:1；以及(vi)離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)離子電導(dǎo)的比例是至少1000:1。

其他目標(biāo)和特點(diǎn)將從以下變得明顯并被部分指出。

附圖說(shuō)明

圖1是諸如鋰離子電池的現(xiàn)有的二維能量存儲(chǔ)裝置的電化學(xué)疊層的一般橫截面。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的能量存儲(chǔ)裝置的電化學(xué)疊層的示意性橫截面圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的能量存儲(chǔ)裝置的一部分電化學(xué)疊層的示意性放大圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的能量存儲(chǔ)裝置的一部分電化學(xué)疊層的示意性放大圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的能量存儲(chǔ)裝置的二維電化學(xué)疊層的示意圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的能量存儲(chǔ)裝置的三維電化學(xué)疊層的示意圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的能量存儲(chǔ)裝置的三維電化學(xué)疊層的示意圖。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的能量存儲(chǔ)裝置的交指型三維電化學(xué)疊層的示意圖。

圖9a-9e是根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例的其中陽(yáng)極和陰極結(jié)構(gòu)可被組裝的某些形狀的示意性表示。

在全部附圖中，對(duì)應(yīng)的參考標(biāo)號(hào)指示對(duì)應(yīng)的部件。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明的各方面，注意到當(dāng)離子透過(guò)導(dǎo)體層被并入到在諸如電池、電容器和燃料電池的能量存儲(chǔ)裝置中使用的電化學(xué)疊層中時(shí)，可提供特定優(yōu)勢(shì)。離子透過(guò)導(dǎo)體層可被放置在例如諸如二次電池的能量存儲(chǔ)裝置的電化學(xué)疊層中的隔離體和陽(yáng)極活性材料層之間，在諸如二次電池的能量存儲(chǔ)裝置的電化學(xué)疊層中的隔離體和陰極活性材料層之間，或是諸如二次電池的能量存儲(chǔ)裝置的電化學(xué)疊層中的隔離體和陽(yáng)極活性材料層之間以及隔體和陰極活性材料之間。因此隨著載流子離子在電化學(xué)疊層中的陽(yáng)極活性材料和陰極活性材料之間移動(dòng)，其穿過(guò)放置在隔離體和陽(yáng)極活性材料層之間的離子透過(guò)導(dǎo)體層，穿過(guò)放置在隔離體和陰極活性材料層之間離子透過(guò)導(dǎo)體層，或穿過(guò)兩個(gè)離子透過(guò)導(dǎo)體層，其中一個(gè)離子透過(guò)導(dǎo)體層放置在隔離體和陽(yáng)極活性材料之間，而另一個(gè)放置在隔離體和陰極活性材料層之間。根據(jù)離子透過(guò)導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)的材料，其可具有吸收并釋放諸如鋰離子的載流子離子的能力；但總的來(lái)說(shuō)，優(yōu)選地是該能力是相對(duì)有限的。

有益地，當(dāng)離子透過(guò)導(dǎo)體層位于電極的活性材料的表面上且位于電極和隔離體之間時(shí)，通過(guò)將來(lái)自集電體的電流跨面向隔離體的電極的表面分布，離子透過(guò)導(dǎo)體層可有助于更均勻的載流子離子傳輸。這進(jìn)而有助于載流子離子更均勻的插入和提取，且由此減少了循環(huán)時(shí)活性電極材料(即，陽(yáng)極活性材料和/或陰極活性材料)中的應(yīng)力；由于離子透過(guò)導(dǎo)體將電流分布給面向隔離體的電極的表面，用于載流子離子的電極材料的反應(yīng)性將是最大的，其中載流子離子濃度也是最大。

離子透過(guò)導(dǎo)體層優(yōu)選地具有足夠的電導(dǎo)使得其能用作集電體。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，離子透過(guò)導(dǎo)體層夾在電化學(xué)疊層的直接相鄰的陽(yáng)極材料層和直接相鄰的隔離體之間，并且是用于該陽(yáng)極材料層的陽(yáng)極集電體。通過(guò)進(jìn)一步舉例的方式，在另一個(gè)實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層夾在電化學(xué)疊層的直接相鄰的陰極極材料層和直接相鄰的隔離體層之間，并且是用于該陰極材料層的陰極集電體。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在另一個(gè)實(shí)施例中，電化學(xué)疊層包括至少兩個(gè)離子透過(guò)導(dǎo)體層，(i)其中一個(gè)夾在直接相鄰的陽(yáng)極材料層和直接相鄰的隔離體之間，并且是用于直接相鄰的陽(yáng)極材料層的陽(yáng)極集電體層；以及(ii)另一個(gè)夾在直接相鄰的陰極材料層和直接相鄰的隔離體之間，并且是用于直接相鄰的陰極材料層的陰極集電體層。

通常，離子通過(guò)導(dǎo)體層是離子和電性導(dǎo)電的。換句話說(shuō)，離子透過(guò)導(dǎo)體層具有厚度和電導(dǎo)性，以及用于載流子離子的離子電導(dǎo)性，這有助于載流子離子在電化學(xué)疊層的離子透過(guò)導(dǎo)體層的一側(cè)的直接相鄰的活性電極材料層和離子透過(guò)導(dǎo)體層的另一側(cè)的直接相鄰的隔離體層之間的移動(dòng)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，一旦施加電流以在電化學(xué)疊層中存儲(chǔ)能量，或施加負(fù)載以便電化學(xué)疊層放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層具有大于其離子電導(dǎo)的電氣電導(dǎo)。例如，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)離子電導(dǎo)(用于載流子離子)的比例將典型地是至少1000:1。通過(guò)再次舉例，在這樣的實(shí)施例中，一旦分別施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)離子電導(dǎo)(用于載流子離子)的比例至少是5000:1。通過(guò)再次舉例，在這樣的實(shí)施例中，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的電導(dǎo)性對(duì)離子電導(dǎo)(用于載流子離子)的比例是至少10000:1。通過(guò)再次舉例，在這樣的實(shí)施例中，一旦分別施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)離子電導(dǎo)(用于載流子離子)的比例至少是50000:1。通過(guò)再次舉例，在這樣的實(shí)施例中，一旦分別施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)離子電導(dǎo)(用于載流子離子)的比例是至少100000:1。

一但施加電流以在電化學(xué)疊層中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給能量存儲(chǔ)裝置的電化學(xué)疊層放電，例如當(dāng)二次電池正在被充電或放電時(shí)，離子透過(guò)導(dǎo)體層具有與相鄰的隔離體層的離子電導(dǎo)比得上的離子電導(dǎo)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層具有隔離體層的離子電導(dǎo)的至少50％的離子電導(dǎo)(用于載流子離子)(即，分別是0.5:1)。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一些實(shí)施例中，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的離子電導(dǎo)(用于載流子離子)與隔離體層的離子電導(dǎo)(用于載流子離子)的比例是至少1:1。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一些實(shí)施例中，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的離子電導(dǎo)(用于載流子離子)與隔離體層的離子電導(dǎo)(用于載流子離子)的比例是至少1.25:1。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一些實(shí)施例中，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的離子電導(dǎo)(用于載流子離子)與隔離體層的離子電導(dǎo)(用于載流子離子)的比例是至少1.5:1。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一些實(shí)施例中，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的離子電導(dǎo)(用于載流子離子)與隔離體層的離子電導(dǎo)(用于載流子離子)的比例是至少2:1。

離子透過(guò)導(dǎo)體層也具有基本上比相鄰的電極活性材料(即，陽(yáng)極活性材料或陰極活性材料)的電氣電導(dǎo)更大的電氣電導(dǎo)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，一旦施加電流以在能量存儲(chǔ)裝置的電化學(xué)疊層中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給能量存儲(chǔ)裝置的電化學(xué)疊層放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)電極活性材料層的電氣電導(dǎo)的比例至少是100:1。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一些實(shí)施例中，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)電極活性材料層的電氣電導(dǎo)的比例至少是500:1。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一些實(shí)施例中，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)電極活性材料層的電氣電導(dǎo)的比例至少是1000:1。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一些實(shí)施例中，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)電極活性材料層的電氣電導(dǎo)的比例至少是5000:1。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一些實(shí)施例中，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層的電氣電導(dǎo)對(duì)電極活性材料層的電氣電導(dǎo)的比例至少是10000:1。

離子透過(guò)導(dǎo)體層的厚度(即，其中夾有離子透過(guò)導(dǎo)體層的隔離體和電極活性材料之間的最短距離)將取決于層的組成以及用于電化學(xué)疊層的性能規(guī)定。通常，離子透過(guò)導(dǎo)體層將具有至少300埃的厚度。例如，在一些實(shí)施例中，其將具有范圍大約為300-800埃的厚度。但是更典型地，其將具有大于大約0.1微米的厚度。通常，離子透過(guò)導(dǎo)體層將具有不大于100微米的厚度。因此例如，在一個(gè)實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層將具有大約0.1到大約10微米的厚度。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一些實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層將具有大約0.1到大約5微米的厚度。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一些實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層將具有范圍大約為0.5到3微米的厚度。通常，優(yōu)選地，離子透過(guò)導(dǎo)體層的厚度是近似均勻的。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選地，離子透過(guò)導(dǎo)體層具有小于大約25％的厚度不均勻性，其中厚度不均勻性被定義為層的最大厚度減去層的最小厚度的量除以平均層厚度。在特定實(shí)施例中，厚度變化更小。例如，在一些實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層具有小于大約20％的厚度不均勻性。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一些實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層具有小于大約15％的厚度不均勻性。在一些實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層具有小于大約10％的厚度不均勻性。

在優(yōu)選實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層包括有助于離子透過(guò)和導(dǎo)電性的電氣導(dǎo)電部件和離子電導(dǎo)部件。典型地，電氣導(dǎo)電部件將包括連續(xù)的導(dǎo)電材料(諸如連續(xù)金屬或金屬合金)，是以網(wǎng)格或圖案化的表面、膜的形式，或包括連續(xù)導(dǎo)電材料(諸如連續(xù)金屬或金屬合金)的復(fù)合材料。此外，離子電導(dǎo)部件將典型地包括孔，例如網(wǎng)格空隙、含有材料層的圖案化金屬或金屬合金之間的空間、金屬薄膜中的孔或具有載流子離子的充分?jǐn)U散率的固體離子導(dǎo)體。在特定實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層包括沉積的多孔材料、傳輸離子的材料、離子反應(yīng)材料、復(fù)合材料或物理多孔材料。例如如果是多孔的，離子透過(guò)導(dǎo)體層可具有至少大約0.25的空隙率。但是通常，空隙率將典型地不超過(guò)大約0.95。更典型地，當(dāng)離子透過(guò)導(dǎo)體層是多孔的，空隙率可能位于大約0.25到大約0.85的范圍。在一些實(shí)施例中，例如，當(dāng)離子透過(guò)導(dǎo)體層是多孔的，空隙率可能位于大約0.35到大約0.65的范圍。

現(xiàn)在參考圖2，在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的電化學(xué)疊層10具有陽(yáng)極活性材料層12、離子透過(guò)導(dǎo)體層14、隔離體層16、陰極活性材料層18和陰極集電體層20。

陽(yáng)極活性材料層12可包括能吸收和釋放諸如鋰、鉀或鈉的載流子離子的陽(yáng)極活性材料。這樣的材料包括石墨烯和軟碳或硬碳的碳材料，或能與鋰形成合金的任何范圍的金屬、半金屬、合金、氧化物和化合物。能組成陽(yáng)極材料的金屬或半金屬的特定例子包括錫、鉛、鎂、鋁、硼、鎵、硅、銦、鋯、鍺、鉍、鎘、銻、銀、鋅、砷、鉿、釔和鈀。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層12包括鋁、錫或硅，或其氧化物、氮化物、氟化物或其他合金。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層12包括硅或其合金。在本段中示出的每個(gè)實(shí)施例和例子中，陽(yáng)極活性材料層可能是單片或顆粒塊。

離子透過(guò)導(dǎo)體層14允許離子電導(dǎo)和電氣電導(dǎo)，且在優(yōu)選實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層也用作陽(yáng)極活性材料層12的集電體。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層是用于陽(yáng)極活性材料層12的唯一的陽(yáng)極集電體。此外，或者可替代地，在一個(gè)這樣的優(yōu)選實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層具有超過(guò)陽(yáng)極活性材料層或與陽(yáng)極活性材料層接觸的任意層(除了陽(yáng)極活性材料層的表面上的另一個(gè)離子透過(guò)導(dǎo)體層之外)的電氣導(dǎo)電性的電氣導(dǎo)電性。因此，通常，優(yōu)選地，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層14的離子電導(dǎo)對(duì)隔離體層16的離子電導(dǎo)(用于載流子離子)的比率是至少0.5:1，而在一些實(shí)施例中是至少1:1，或至少是1.25:1或甚至1.5:1。此外，通常優(yōu)選地，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層14的電氣電導(dǎo)對(duì)陽(yáng)極活性材料層12的電氣電導(dǎo)的比率是至少100:1，而在一些實(shí)施例中是至少500:1，至少是1000:1，至少是5000:1或甚至10000:1。通常也優(yōu)選地是，一旦施加電流以在裝置中存儲(chǔ)能量或施加負(fù)載以給裝置放電，離子透過(guò)導(dǎo)體層14的電氣電導(dǎo)對(duì)離子透過(guò)導(dǎo)體層14的離子電導(dǎo)(用于載流子離子，例如鋰離子)的比率是至少1000:1，而在一些實(shí)施例中是至少5000:1，或至少是10000:1，至少50000:1，或甚至是100000:1。

隔離體層16被放置在離子透過(guò)導(dǎo)體層14和陰極活性材料層18之間。隔離體層16可包括通常被用作二次電池隔離體的任意材料，例如包括微孔聚乙烯、聚丙烯、tio2、sio2、al2o3等(p.arora和j.zhang的“batteryseparators”chemicalreviews2004,104,4419-4462)。這樣的材料可被例如顆粒隔離體材料的電泳沉積、顆粒隔離體材料的漿沉積(包括旋涂或噴涂)或離子導(dǎo)電顆粒隔離體材料的濺射涂敷而沉積。隔離體層38可具有例如大約為5到100微米的厚度(間隔開(kāi)相鄰陽(yáng)極結(jié)構(gòu)和相鄰陰極結(jié)構(gòu)的距離)和大約為0.25到大約0.75的空隙率。

在操作中，隔離體可被非水電解質(zhì)滲透，該非水電解質(zhì)包含通常用于非水電解質(zhì)二次電池的非水電解質(zhì)。典型地，非水電解質(zhì)包括溶解在有機(jī)溶劑中的鋰鹽。示例性鋰鹽包括無(wú)機(jī)鋰鹽，諸如liclo4、libf4、lipf6、liasf6、licl和libr；而有機(jī)鋰鹽包，例如lib(c6h5)4、lin(so2cf3)2、lin(so2cf3)3、linso2cf3、linso2cf5、linso2c4f9、linso2c5f11、linso2c6f13、linso2c7f15。溶解鋰鹽的示例性有機(jī)溶劑包括環(huán)酯、鏈酯、環(huán)狀醚以及鏈醚。鏈醚的特定例子包括碳酸丙烯酯、碳酸亞丁酯、γ-丁內(nèi)酯、碳酸亞乙烯酯、2-甲基-γ-丁內(nèi)酯、乙?；?γ-丁內(nèi)酯以及γ-戊內(nèi)酯等。鏈酯的具體例子包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丁酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丁基酯、碳酸甲基丙基酯、碳酸乙基丁基酯、碳酸乙基丙基酯、碳酸丁基丙基酯、丙酸烷基酯、丙二酸二烷酯和乙酸烷基酯。環(huán)醚的特定例子包括四氫呋喃、烷基四氫呋喃(alkyltetrahydrofurans)、二烷基四氫呋喃(dialkyltetrahydrofurans)、烷氧基四氫呋喃(alkoxytetrahydrofurans)、二烷氧基四氫呋喃(dialkoxytetrahydrofurans)、1,3-二氧戊環(huán)、烷基-1,3-二氧戊環(huán)、1,4-二氧戊環(huán)。鏈醚的具體例子包括1,2-二甲氧基乙烷、1,2–二乙氧基甲烷(diethoxythane)、二乙醚、乙二醇二烷基醚、二乙二醇二烷基醚、三乙二醇二烷基醚和四乙二醇二烷基醚。

陰極活性材料層18包括通常在二次電池和其他能量存儲(chǔ)裝置中使用的任意范圍的陰極活性材料，包括陰極活性材料的混合物。例如，陰極材料諸如licoo2、lini0.5mn1.5o4、li(nixcoyal2)o2、lifepo4、li2mno4、v2o5，且氧硫化鉬被典型地用于鋰離子電池。陰極活性材料被沉積以通過(guò)包括例如電泳沉積、電沉積、共沉積或漿沉積的任意范圍的技術(shù)形成陰極結(jié)構(gòu)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，顆粒形式的前述陰極活性材料或其組合中的一種被電泳沉積。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，諸如v2o5的陰極活性材料被電沉積。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，顆粒形式的前述陰極活性材料或其組合中的一種被共沉積在諸如聚苯胺的導(dǎo)電基體中。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，顆粒形式的前述陰極活性材料或其組合中的一種被漿沉積。獨(dú)立于沉積方法，陰極活性材料層將典型地具有1微米到1mm之間的厚度。在特定實(shí)施例中，層厚度在5微米到200微米之間。在特定實(shí)施例中，層厚度在10微米到150微米之間。

陰極集電體層20可包括通常用于集電體的金屬。例如在一個(gè)實(shí)施例中，陰極集電體層20包括鋁、碳、鉻、金、鎳、nip、鈀、鉑、銠、釕、硅和鎳的合金、鈦，或以上一個(gè)或多個(gè)的任意合金(參見(jiàn)a.h.whitehead和m.schreiber在journaloftheelectrochemicalsociety上發(fā)表的“currentcollectorsforpositiveelectrodesoflithium-basedbatteries”，152(11)a5105-a2113(2005))。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)實(shí)施例中，陰極集電體層20包括金或其合金，諸如硅化金。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)實(shí)施例中，陰極集電體層20包括鎳或其合金，諸如硅化鎳。

在一個(gè)替代實(shí)施例中，陰極集電體層和陰極活性材料層的位置與圖2中示出的位置相反。換句話說(shuō)，在一些實(shí)施例中，陰極集電體層被放置在隔離體層和陰極活性材料層之間。在這樣的實(shí)施例中，用于直接相鄰陰極活性材料層的陰極集電體也是離子透過(guò)導(dǎo)體層。在這樣的實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層(陰極集電體)是用于陰極活性材料層的唯一的陰極集電體。此外，或可替代地，在一個(gè)這樣的優(yōu)選實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層(陰極集電體)具有超過(guò)陰極活性材料層或與陰極活性材料層接觸的任意層(除了陰極活性材料層的表面上的另一個(gè)離子透過(guò)導(dǎo)體層)的電氣導(dǎo)電性的電氣導(dǎo)電性。

現(xiàn)在參考圖3，在一個(gè)實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層包括放置在隔離體層316和電極活性材料層318之間的網(wǎng)孔314。網(wǎng)孔具有由導(dǎo)電材料的網(wǎng)絲319限定的空隙317。例如，當(dāng)電極活性材料層318是陰極活性材料層時(shí)，網(wǎng)孔可包括碳、鈷、鉻、銅、鎳、鈦或其一種或多種的合金的網(wǎng)絲319。通過(guò)進(jìn)一步舉例，當(dāng)電極活性材料層318是陰極活性材料層，網(wǎng)孔可包括鋁、碳、鉻、金、nip、鈀、銠、釕、鈦或其一種或多種的合金的網(wǎng)絲319。通常，網(wǎng)孔將具有至少為大約2微米的厚度(即，網(wǎng)孔的絲具有直徑)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，網(wǎng)孔具有至少為大約4微米的厚度。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，網(wǎng)孔具有至少為大約6微米的厚度。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，網(wǎng)孔具有至少為大約8微米的厚度。在前述每個(gè)實(shí)施例中，網(wǎng)孔的開(kāi)放區(qū)域分?jǐn)?shù)(fraction)(即，組成網(wǎng)絲319之間的間隙317的網(wǎng)孔的分?jǐn)?shù))優(yōu)選地是至少0.5。例如，在前述每個(gè)實(shí)施例中，網(wǎng)孔的開(kāi)放區(qū)域的分?jǐn)?shù)是至少0.75。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在前述每個(gè)實(shí)施例中，網(wǎng)孔的開(kāi)放區(qū)域分?jǐn)?shù)至少是0.8。但是通常，在前述每個(gè)實(shí)施例中，網(wǎng)孔的絲之間的平均距離與電極活性材料層的厚度的比率不超過(guò)100:1。例如，在前述每個(gè)實(shí)施例中，網(wǎng)孔絲之間的平均距離與電極活性材料層的厚度之間的比率不超過(guò)50:1。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在前述每個(gè)實(shí)施例中，網(wǎng)孔絲之間的平均距離與電極活性材料層的厚度之間的比率不超過(guò)25:1。有益地，網(wǎng)孔的一端或兩端可被焊接或以其他方式連接到金屬接頭(tab)或其他連接器，以使得收集的電流能被運(yùn)送到電池外部的環(huán)境。如圖3所示，網(wǎng)孔包括兩組平行的絲，一組是垂直取向的，并與另一組位于不同的高度；在其他實(shí)施例中，網(wǎng)孔的所有絲基本上是共面的。

在這些實(shí)施例中，其中離子透過(guò)導(dǎo)體層包括前述的金屬或其合金的網(wǎng)孔，網(wǎng)孔的絲之間的空隙可能是開(kāi)放的，其可被用電解質(zhì)滲透的多孔材料填充，或其可包含無(wú)孔材料，離子電子通過(guò)該無(wú)孔材料可擴(kuò)散。當(dāng)被填充有多孔材料時(shí)，有孔材料將典型地具有至少為大約0.5的空隙率，而在一些實(shí)施例中，空隙率是至少0.6、0.7或甚至是0.8。示例性多孔材料包括顆粒陶瓷塊，諸如sio2、al2o3、sic或si3n4，以及顆粒聚合物塊，諸如聚乙烯，聚丙烯，聚甲基丙烯酸甲酯及其共聚物?？杀环胖迷诰W(wǎng)孔的空隙中的示例性無(wú)孔材料包括固態(tài)離子導(dǎo)體，諸如na3zr2si2po12(nasicon)、li2+2xzn1-xgeo4(lisicon)以及氧氮化鋰磷(lipon)。

現(xiàn)在參考圖4，在一個(gè)替代實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層包括壓入到隔離體材料中的導(dǎo)電材料的網(wǎng)孔314。例如，當(dāng)電極活性材料318是陽(yáng)離子活性材料層，網(wǎng)孔可包括碳、鈷、鉻、銅、鎳、鈦或其一種或多種的合金的絲319。通過(guò)進(jìn)一步舉例，當(dāng)電極活性材料層318是陰極活性材料層時(shí)，網(wǎng)孔可包括鋁、碳、鉻、金、nip、鈀、銠、釕、鈦或其一種或多種的合金的絲319。在這樣的實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層將具有厚度(即，網(wǎng)孔的絲具有直徑)、開(kāi)放區(qū)域分?jǐn)?shù)(即，網(wǎng)孔纖維之間的空隙)、網(wǎng)孔的絲之間的平均距離與電極活性材料層的厚度之間的比率，如之前針對(duì)網(wǎng)孔所描述的。但是在該實(shí)施例中，空隙11將含有隔離體材料，離子透過(guò)導(dǎo)體層將具有對(duì)應(yīng)于網(wǎng)孔被壓入到隔離體材料的深度的厚度x，且隔離體層136將具有厚度y。例如，在這樣的實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層將具有大約1到100微米的厚度x，且隔離體層316將具有大約1到100微米的厚度y。

在一個(gè)實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層包括沉積在或以其他方式形成在隔離體層的表面上或電極活性材料層上的導(dǎo)線。在這樣的實(shí)施例中，導(dǎo)線可包括之間關(guān)于網(wǎng)孔部件識(shí)別的任意金屬(或其合金)。例如，當(dāng)離子透過(guò)導(dǎo)體層被放置在隔離體層和陽(yáng)極活性材料層之間時(shí)，導(dǎo)線可包括碳、鈷、鉻、銅、鎳、鈦或其一種或多種的合金。當(dāng)離子透過(guò)導(dǎo)體層被放置在隔離體層和陰極活性材料層之間時(shí)，導(dǎo)線可包括鋁、碳、鉻、金、nip、鈀、銠、釕、硅和鎳的合金、鈦、或其一種或多種的合金。通常，導(dǎo)線將具有至少為2微米的厚度。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，導(dǎo)線具有大約至少為4微米的厚度。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，導(dǎo)線具有大約至少為6微米的厚度。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，導(dǎo)線具有大約至少為8微米的厚度。在前述每個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)線間的平均距離與電極活性材料層的厚度的比率不超過(guò)100:1。例如，在前述每個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)線間的平均距離與電極活性材料層的厚度的比率不超過(guò)50:1。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在前述每個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)線間的平均距離與電極活性材料層的厚度的比率不超過(guò)25:1。有益地，導(dǎo)線的一端或多端將被焊接，或以其他方式連接到金屬接頭或其他連接器，以使得收集的電流能被傳送到電池外部環(huán)境。

在其中離子透過(guò)導(dǎo)體層包括之前描述的金屬或其合金的導(dǎo)線的實(shí)施例中，涂敷的材料的表面上的空間可以是開(kāi)放的，其可被滲透有電解質(zhì)的多孔材料填充，或其可包含無(wú)孔材料，穿過(guò)該無(wú)孔材料載流子離子可擴(kuò)散。當(dāng)被多孔材料填充時(shí)，多孔材料典型地具有至少為0.5的空隙率，而在一些實(shí)施例中，空隙率將至少是0.6、0.7或甚至是至少0.8。示例性多孔材料包括諸如sio2、al2o3、sic或si3n4的顆粒陶瓷的塊以及諸如聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯及其共聚物的顆粒聚合物的塊?？杀环胖迷趯?dǎo)線之間的示例性無(wú)孔材料包括固態(tài)離子導(dǎo)體，諸如na3zr2si2po12(nasicon)、li2+2xzn1-xgeo4(lisicon)以及氧氮鋰磷(lipon)。

在一個(gè)替換實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層包括多孔層或膜，諸如多孔金屬層。例如，當(dāng)電極活性材料層是陽(yáng)極活性材料層時(shí)，多孔層可包括碳、鈷、鉻、銅、鎳、鈦或其一種或多種的合金的多孔層。通過(guò)進(jìn)一步舉例，當(dāng)電極活性材料層是陰極活性材料層時(shí)，多孔層可包括鋁、碳、鉻、金、nip、鈀、銠、釕、鈦或其一種或多種的合金的多孔層。用于形成這樣的多孔層的示例性沉積技術(shù)包括無(wú)電沉積，電沉積，諸如濺射化學(xué)沉積，置換鍍敷(displacementplating)的真空沉積技術(shù)。之后為選擇性蝕刻的諸如化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積、共沉積的氣相沉積技術(shù)，以及采用接合劑的金屬顆粒的漿涂布。通常，優(yōu)選地，這樣的多孔層的空隙率至少是0.25。例如在一個(gè)實(shí)施例中，多孔金屬層的空隙率至少是0.4、0.5、0.6、0.7甚至高達(dá)0.75。為了提供想要的電氣電導(dǎo)，層典型地具有至少1微米的厚度。在一些實(shí)施例中，層具有至少2微米的厚度。在一些實(shí)施例中，層具有至5微米的厚度。但是通常，層典型地具有不超過(guò)20微米的厚度，以及更典型地不超過(guò)約10微米。可選地，這樣的金屬層或膜包含接合劑，諸如聚偏二氟乙烯(pvdf)或其它聚合物或陶瓷材料。

在又一個(gè)替代實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層包括金屬填充的離子導(dǎo)電聚合物復(fù)合膜。例如，離子透過(guò)導(dǎo)體層可包括離子導(dǎo)電膜，諸如含有導(dǎo)電性元素，如鋁、碳、金、鈦、銠、鈀、鉻、nip、硅和鎳的合金、釕或其合金的聚環(huán)氧乙烷或凝膠聚合物電解質(zhì)。但是典型地，固體離子導(dǎo)體具有相對(duì)低的離子導(dǎo)電性以及由此，該層需要相對(duì)薄以提供希望的離子電導(dǎo)。這樣的層可具有范圍從大約0.5到大約10微米的厚度。

再次參考圖2，在一個(gè)實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層14包括金屬或金屬合金的多孔層，優(yōu)選地是不與鋰形成金屬間互化物的金屬或金屬合金。在該實(shí)施例中，例如，離子透過(guò)導(dǎo)體層14可包括從由銅、鎳和鉻或其合金組成的組中選擇的至少一種金屬。例如在這樣的實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層14包括多孔銅、多孔鎳、銅或鎳的多孔合金或其組合。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在這樣的實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層14包括多孔銅或其合金，諸如多孔硅化銅。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層14包括多孔鎳或其多孔合金，諸如多孔硅化鎳。在該段每個(gè)前述實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層14的厚度(即，陽(yáng)極活性材料層12和隔離體層16之間的最短距離，如圖所示)通常至少是大約0.1微米，且典型地位于0.1到10微米的范圍。在該段論述的每個(gè)前述實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層14是多孔的，具有范圍為大約0.25到0.85的空隙率，且在特定實(shí)施例中，位于大約0.35到0.65的范圍。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體層14是通過(guò)包括置換鍍敷步驟的處理而形成的。在該實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層12是硅，且層與包括金屬離子和用于部分溶解硅的溶解成分的溶液接觸。硅被溶解，溶液中的金屬由于硅溶解所提供的電子而減少，且金屬被沉積在陽(yáng)極活性材料層上，并退火以形成金屬硅合金層?！叭芙獬煞帧笔侵赣兄诎雽?dǎo)體材料溶解的成分。溶解成分包括氟化物、氯化物、過(guò)氧化物、氫氧化物、高錳酸鹽等。優(yōu)選的溶解成分是氟化物和氫氧化物。更優(yōu)選的溶解成分是氟化物。金屬可以是任何前述金屬，優(yōu)選地是鎳和銅。有益地，產(chǎn)生的層是多孔的，具有大約0.15到0.85的空隙率。此外，產(chǎn)生的離子透過(guò)導(dǎo)體層的厚度可被控制在位于100納米到3微米之間；如想要，可形成更厚的層。

陽(yáng)極活性材料層12可包括能吸收和釋放諸如鋰、鉀或鈉的載流子離子的陽(yáng)極活性材料。這樣的材料包括碳材料，諸如石墨和碳化物，或任何范圍的能與鋰形成合金的金屬、半金屬、合金、氧化物和化合物。能組成陽(yáng)極材料的金屬或半金屬的特定例子包括錫、鉛、鎂、鋁、硼、鎵、硅、銦、鋯、鍺、鉍、鎘、銻、銀、鋅、砷、鉿、釔和鈀。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層12包括鋁、錫或硅，或其氧化物、氮化物、氟化物，或其其他合金。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層12包括硅或其合金。

現(xiàn)在參考圖5，在一個(gè)實(shí)施例中，電化學(xué)疊層510包括以二維形式布置的電化學(xué)陰極集電體層520、陰極層518、隔離體層516、離子透過(guò)導(dǎo)體層514和陽(yáng)極層51。陰極集電體層520電連接到陰極接觸(未示出)，而離子透過(guò)導(dǎo)體層514電連接到陽(yáng)極接觸(未示出)。為了方便描述，圖5僅示出兩個(gè)陽(yáng)極層512和三個(gè)陰極層518；但是實(shí)際上，電化學(xué)疊層典型地包括交替的陽(yáng)極和陰極層系列，每個(gè)疊層的陽(yáng)極和陰極層的數(shù)量取決于應(yīng)用。

現(xiàn)在參考圖6，在一個(gè)實(shí)施例中，電化學(xué)疊層610包括參考平面601和通常從參考平面601垂直突出的主干610。電化學(xué)疊層610的陰極元件包括陰極集電體層612和陰極活性材料618。電化學(xué)疊層610的陽(yáng)極元件包括陽(yáng)極活性材料層612和用作陽(yáng)極集電體層的離子透過(guò)導(dǎo)體層614。優(yōu)選地，離子透過(guò)導(dǎo)體層614具有的在主干603的頂部(即，相對(duì)于參考平面601的末梢主干表面)處的厚度大于在主干603的側(cè)面(頂部和參考面601之間的表面)上的離子透過(guò)層的厚度；例如在一個(gè)實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體在主干的頂部處的厚度是在側(cè)表面上的離子透過(guò)導(dǎo)體的厚度的110％到2000％。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)實(shí)施例中，離子透過(guò)導(dǎo)體在主干的頂部處的厚度是在側(cè)表面上的離子透過(guò)導(dǎo)體的厚度的200％到1000％。隔離體層616位于離子透過(guò)導(dǎo)體層614和陰極活性材料層618之間。陰極集電體層620電連接到陰極接觸(未示出)，且離子透過(guò)導(dǎo)體層614電連接到陽(yáng)極接觸(未示出)。為了便于描述，圖6僅示出一個(gè)陽(yáng)極主干和兩個(gè)陰極主干；但是在實(shí)際中，電化學(xué)疊層將典型地包括交替的陽(yáng)極和陰極主干系列，每個(gè)疊層的數(shù)量是取決于應(yīng)用。

主干603為陽(yáng)極活性材料層612和陰極活性材料層618提供機(jī)械穩(wěn)定性。通常，主干具有至少為1微米的厚度(沿與參考平面601平行的方向測(cè)量)，但通常不超過(guò)100微米。例如在一個(gè)實(shí)施例中，主干603將具有大約1到50微米的厚度。通常，主干603將具有至少為大約50微米的高度(沿與參考平面601垂直的方向測(cè)量)，且更典型地是至少大約100微米。但是通常，主干603將典型地具有不超過(guò)大約10000微米的高度，且更典型地不超過(guò)5000微米。通過(guò)舉例，在一個(gè)實(shí)施例中，主干603將具有大約5到50微米的厚度以及大約50到5000微米的高度。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)實(shí)施例中，主干603將具有大約5到20微米的厚度，以及大約100到1000的高度。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)實(shí)施例中，主干603將具有大約5到20微米的厚度，以及大約100到2000微米的高度。

主干603包括可被成形的任何材料，諸如金屬、半導(dǎo)體、有機(jī)物、陶瓷和玻璃。目前優(yōu)選的材料包括半導(dǎo)體材料，諸如硅和鍺。但是或者，基于碳的有機(jī)材料或諸如鋁、銅、鎳、鈷、鈦和鎢的金屬，也可被并入到陽(yáng)極主干結(jié)構(gòu)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，主干603包括硅。例如，硅可以是單晶硅、多晶硅或非晶硅。

在一個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層612被微結(jié)構(gòu)化，以提供顯著的空隙率，以適應(yīng)體積膨脹和收縮，因?yàn)樵诔潆姾头烹娺^(guò)程中鋰離子(或其他載流子離子)被并入到或離開(kāi)陽(yáng)極活性材料層612。通常，陽(yáng)極活性材料層的空隙率是至少0.1。但是典型地，陽(yáng)極活性材料層的空隙率不大于0.8。例如在一個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層的空隙體積分?jǐn)?shù)是大約0.15到0.75。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層的空隙體積分?jǐn)?shù)是大約0.2到0.7。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層的空隙體積分?jǐn)?shù)是大約0.25到0.6。

根據(jù)微結(jié)構(gòu)化陽(yáng)極活性材料層的組成和其形成方法，微結(jié)構(gòu)化的陽(yáng)極活性材料層可包括大孔(macroporous)、微孔或介孔材料層或其組合，諸如微孔和介孔的組合或介孔和大孔的組合。典型地，微孔材料的特征在于，孔尺寸小于10nm、壁尺寸小于10nm、孔深度是1-50微米，而孔形態(tài)通常特征為是“海綿狀的”且不規(guī)則的外觀，壁是不光滑且具有分支孔。介孔材料典型地特征在于，孔尺寸為10-50nm，壁尺寸是10-50nm，孔深度是1-100微米，以及孔形態(tài)的特征在于通常明確界定的分支孔或樹(shù)枝狀孔。大孔材料典型地特征在于，孔尺寸大于50nm，壁尺寸大于50nm，孔深度是1-500微米，且孔形態(tài)是可變的、直的、分支或樹(shù)枝狀的，以及具有光滑或粗糙的壁。此外，空隙體積可包括開(kāi)放或閉合的空隙，或其組合。在一個(gè)實(shí)施例中，空隙體積包括開(kāi)放空隙，即，陽(yáng)極活性材料層包含在陽(yáng)極活性材料層的表面上具有開(kāi)口的空隙，該空隙面向隔離體和陰極活性材料，且鋰離子(或其他載流子離子)可通過(guò)該空隙開(kāi)口進(jìn)入或離開(kāi)陽(yáng)極活性材料層；例如，鋰離子可在離開(kāi)陰極活性材料層并到達(dá)陽(yáng)極活性材料后通過(guò)空隙開(kāi)口進(jìn)入陽(yáng)極活性材料層。在另一個(gè)實(shí)施例中，空隙體積關(guān)閉，意味著陽(yáng)極活性材料層含有被陽(yáng)極活性材料包圍的空隙。通常，開(kāi)口空隙可為鋰離子提供更大的界面表面面積，而閉合空隙更加不易受到固體電解質(zhì)界面(“sei”)的影響，一旦載流子離子進(jìn)入，每個(gè)更容易為陽(yáng)極活性材料層提供擴(kuò)張空間。因此在特定實(shí)施例中，優(yōu)選地陽(yáng)極活性材料層包括開(kāi)口和閉合空隙的組合。

陽(yáng)極活性材料層612包括之前描述的能吸收和釋放諸如鋰的載流子離子的任何陽(yáng)極活性材料。這樣的材料包括碳材料，諸如石墨和碳化物，或任何范圍的能與鋰形成合金的金屬、半金屬、合金、氧化物和化合物。能構(gòu)成陽(yáng)極材料的金屬或半金屬的例子包括錫、鉛、鎂、鋁、硼、鎵、硅、銦、鋯、鍺、鉍、鎘、銻、金、銀、鋅、砷、鉿、釔和鈀。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層612包括鋁、錫或硅，或其氧化物、氮化物、氟化物或其其他合金。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層612包括微結(jié)構(gòu)化硅或其合金。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層612包括多孔硅或其合金、硅或硅合金的纖維(例如納米線)、多孔硅或其合金和硅或其合金的纖維(例如納米線)的組合，或具有至少0.1的空隙率的其他形式的微結(jié)構(gòu)化硅或其合金。在該段及本專利申請(qǐng)中引用的每個(gè)實(shí)施例和例子中，陽(yáng)極活性材料層可以是單片或顆粒塊。

通常，陽(yáng)極活性材料層612將具有至少1微米的厚度(沿平行于參考平面601的表面的方向測(cè)量)。但是典型地，每個(gè)陽(yáng)極活性材料層612將具有不超過(guò)200微米的厚度。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層612將具有大約1到100微米的厚度。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層612具有大約2到75微米的厚度。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層612將具有大約10到100微米的厚度。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層612具有大約5到50微米的厚度。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層612具有大約20到50微米的厚度，并包含微結(jié)構(gòu)化的硅和/或其合金，諸如硅化鎳。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層612具有大約1到100微米的厚度，并包含微結(jié)構(gòu)化的硅和/或其合金，諸如硅化鎳。

現(xiàn)在參考圖7，在一個(gè)實(shí)施例中，電化學(xué)疊層610包括參考平面601和通常從參考平面601垂直突出的主干603。電化學(xué)疊層610的陰極材料包括陰極集電體層620和陰極活性材料層618。電化學(xué)疊層610的陽(yáng)極元件包括陽(yáng)極活性材料層612和用作陽(yáng)極集電體層的離子透過(guò)導(dǎo)體層614。隔離體層616位于離子透過(guò)導(dǎo)體層614和陰極活性材料層618之間。在該實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層612位于主干603的頂部和側(cè)表面，且陰極活性材料618接近主干603的頂部和側(cè)表面。結(jié)果，在包括電化學(xué)疊層610的能量存儲(chǔ)裝置的充電和放電期間，載流子離子沿著相對(duì)于參考平面601的兩個(gè)方向同時(shí)移動(dòng)：載流子離子沿著通常與參考平面601平行的方向移動(dòng)(以進(jìn)入或離開(kāi)主干603的側(cè)表面上的陽(yáng)極活性材料612)和沿通常正交于參考平面601的方向移動(dòng)(以進(jìn)入和離開(kāi)主干頂表面處的陽(yáng)極活性材料612)。陰極集電體層620電連接到陰極接觸(未示出)，而離子透過(guò)導(dǎo)體層614電連接到陽(yáng)極接觸(未示出)。為了便于描述，圖7僅示出了一個(gè)陽(yáng)極主干和兩個(gè)陰極主干；但是在實(shí)際中，電化學(xué)疊層典型地包括交替的陽(yáng)極主干和陰極主干系列，每個(gè)疊層的主干數(shù)量取決于應(yīng)用。

現(xiàn)在參考圖8，在一個(gè)實(shí)施例中，電化學(xué)疊層710包括交指型陽(yáng)極活性材料層712和陰極材料層718。電化學(xué)疊層710的陰極元件還包括陰極集電體層720，而電化學(xué)疊層陽(yáng)極元件包括用作陽(yáng)極集電體的離子透過(guò)導(dǎo)體層714。隔離體716位于離子透過(guò)導(dǎo)體層714和陰極活性材料層718之間。支撐層705、707為交指型陽(yáng)極活性材料層712提供機(jī)械支撐。盡管未在圖8中示出，但如結(jié)合圖6所描述的，在一個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極活性材料層712和陰極活性材料層718可被主干支撐。

圖9a-9e示出了一些利用本發(fā)明的特定實(shí)施例能被使用的三維結(jié)構(gòu)的一些例子。陽(yáng)極結(jié)構(gòu)24和陰極結(jié)構(gòu)26從參考平面突出，在該實(shí)施例中，從基底22的平面表面突出，并以周期性的方式交替。例如，當(dāng)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)24為柱形時(shí)(圖9a)，微結(jié)構(gòu)化的陽(yáng)極活性材料層至少部分且優(yōu)選地完全地圍繞側(cè)表面的圓周延伸。通過(guò)進(jìn)一步舉例，當(dāng)如圖所示陽(yáng)極結(jié)構(gòu)24具有兩個(gè)(或更多個(gè))側(cè)表面時(shí)，例如，在圖9b-9e中，陽(yáng)極活性材料層至少部分覆蓋且優(yōu)選地完全覆蓋側(cè)表面中的至少一個(gè)。附加地，全部微結(jié)構(gòu)化的陽(yáng)極活性材料層中每個(gè)具有高度(沿垂直于基底22的方向測(cè)量)且層被設(shè)置以便沿基本上平行于基底22的平面表面的方向被測(cè)量的全部層中的至少兩個(gè)層(例如層30a和30b)之間的距離大于全部層中的任一層的最大高度。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，全部層中的至少兩個(gè)層(例如層30a和30b)之間的距離為大于全部層中的任一層的最大高度的至少2倍，而在一些實(shí)施例中基本上是更多，例如是至少5倍或甚至10倍。通過(guò)進(jìn)一步舉例，在一個(gè)實(shí)施例，全部層中的大多數(shù)層之間的距離為全部層中的任一層的最大高度的至少2倍，而在一些實(shí)施例中基本上是更大，例如為至少5倍或甚至10倍。

圖9a示出了具有柱形的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)24和陰極結(jié)構(gòu)26的三維組件。每個(gè)柱包括主干，其具有從基底22垂直突出的側(cè)表面(未示出)。每個(gè)主干的側(cè)表面支撐陽(yáng)極活性材料層30，且層30被設(shè)置為使得，全部層中的至少兩個(gè)層，例如層30a和30b，之間的距離大于全部層中的任意層的最大高度。

圖9b示出了具有板形的陰極結(jié)構(gòu)26和陽(yáng)極結(jié)構(gòu)24的三維組件。每個(gè)板包括主干，具有從基底22的垂直伸出的側(cè)表面(未示出)。每個(gè)主干的側(cè)表面支撐陽(yáng)極活性材料層30，且層30被設(shè)置為使得，全部層中的至少兩個(gè)層，例如層30a和30b，之間的距離大于全部層中的任一層的最大高度。

圖9c示出了具有同心圓形狀的陰極結(jié)構(gòu)26和陽(yáng)極結(jié)構(gòu)24的三維組件。每個(gè)同心圓包括主干，具有從基底22的垂直伸出的側(cè)表面(未示出)。每個(gè)主干的側(cè)表面支撐陽(yáng)極活性材料層30，且層30被設(shè)置為使得，全部層中的至少兩個(gè)層，例如層30a和30b，之間的距離大于全部層中的任一層的最大高度。

圖9d示出了具有波浪形狀的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)26和陰極結(jié)構(gòu)24的三維組件。每個(gè)波浪包括主干，具有從基底22的垂直伸出的側(cè)表面(未示出)。每個(gè)主干的側(cè)表面支撐陽(yáng)極活性材料層30，且層30被設(shè)置為使得，全部層中的至少兩個(gè)層，例如層30a和30b，之間的距離大于全部層中的任一層的最大高度。

圖9e示出了具有蜂窩圖形的陰極結(jié)構(gòu)26和陽(yáng)極結(jié)構(gòu)24的三維組件。陰極結(jié)構(gòu)26是在蜂窩結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元基元的中心的柱形，且蜂窩結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元基元的壁包括互連的主干網(wǎng)絡(luò)(系統(tǒng))，其具有從基底22垂直伸出的側(cè)表面(未示出)。主干網(wǎng)絡(luò)(系統(tǒng))的側(cè)表面支撐陽(yáng)極活性材料層30，且層30被設(shè)置為使得，全部層中的至少兩個(gè)層，例如層30a和30b，之間的距離大于全部層中的任一層的最大高度。在替換實(shí)施例中，三維組件是蜂窩結(jié)構(gòu)，但陽(yáng)極結(jié)構(gòu)和陰極結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置相對(duì)于圖9e中示出的實(shí)施例被反轉(zhuǎn)，即，在替換實(shí)施例中，陽(yáng)極結(jié)構(gòu)是柱形(具有支撐陽(yáng)極活性材料層的側(cè)表面)，且每個(gè)單元基元的壁包括陰極活性材料。

在一個(gè)實(shí)施例中，三維二次電池包括一個(gè)或多個(gè)三維電化學(xué)疊層，諸如圖6-8中示出的一個(gè)三維結(jié)構(gòu)、電池包封以及用于將電化學(xué)疊層連接到外部功能或消耗的接頭。對(duì)于用于便攜式電子產(chǎn)品的鋰離子電池，諸如移動(dòng)電話或計(jì)算機(jī)，電池包封可以是袋式的或其他傳統(tǒng)的電池包封。

提供了以下非限制性例子以進(jìn)一步描述本發(fā)明。

例子

例子1：?jiǎn)纹?yáng)極上的ipc層的形成

500μm的厚硅基板被用作初始材料。硅基板在65c在20％的koh溶液中被清潔并拋光3分鐘，以清潔硅表面。該樣本被浸在500毫升含有0.1m的niso4·6h2o和5m的nh4f的溶液中。溶液的ph值被維持在8.5，且操作溫度是85c。樣本的沉積時(shí)間是3分鐘。樣本隨后在di水中被沖洗5分鐘，并在80c在空氣中被干燥。隨后，樣本被退火到550℃的溫度20分鐘(包括加熱和冷卻時(shí)間)，以形成含有ipc層的硅化物。

例子1a：?jiǎn)纹?yáng)極上的ipc層的形成

500μm厚的硅基板被用作初始材料。硅基板在65c在20％的koh溶液中被清潔并拋光3分鐘，以清潔硅表面。該樣本被浸在500毫升含有0.1m的niso4·6h2o和5m的nh4f的溶液中。溶液的ph值被維持在8.5，且操作溫度是85℃。樣本的沉積時(shí)間是3分鐘。樣本隨后在di水中被沖洗5分鐘，并在80℃在空氣中被干燥。隨后，樣本被退火到550℃的溫度20分鐘(包括加熱和冷卻時(shí)間)，以形成含有ipc層的硅化物。在75℃，使用10％h2o2和10％h2so4的溶液對(duì)不形成硅化物的過(guò)量的ni選擇性地蝕刻10分鐘。

例子1b：?jiǎn)纹?yáng)極上的ipc層的形成

500μm厚的硅基板被用作初始材料。硅基板在65℃在20％的koh溶液中被清潔并拋光3分鐘，以清潔硅表面。該樣本被浸在500毫升含有0.1m的niso4·6h2o和5m的nh4f的溶液中。溶液的ph值被維持在8.5，且操作溫度是85℃。樣本的沉積時(shí)間是3分鐘。樣本隨后在di水中被沖洗5分鐘，并在80℃在空氣中被干燥。隨后，樣本被退火到300℃的溫度5分鐘(包括加熱和冷卻時(shí)間)，以增加沉積ni對(duì)硅的粘合性。由于沉積是基于置換鎳沉積，ni層是多孔的并當(dāng)被組裝為鋰電池中的陽(yáng)極時(shí)，允許鋰轉(zhuǎn)移。

例子2：從例子1的ipc層形成電池

例子1的具有ni+nisiipc層的硅基板將被用作鋰離子電池中的陽(yáng)極材料。硅件的懸垂邊緣與cu線進(jìn)行線接合，以便提供用于電連接到電池封裝的外部的裝置，通常被稱為接頭。這種情況中的線接合是在陽(yáng)極表面的任一面完成的；但是，如果ipc層被涂覆在陽(yáng)極件的側(cè)面上，有可能僅從一側(cè)收集電流。該線接合的si件在樣本上被用25μm厚的隔離體包裹，且傳統(tǒng)的單側(cè)涂覆和壓延的(calendared)陽(yáng)極箔被用在陽(yáng)極/隔離體組合的任一側(cè)。利用鋁接頭來(lái)為每個(gè)陰極箔形成結(jié)構(gòu)。組件隨后被傳統(tǒng)的鋰電池袋(pouch)材料涂覆，用電解質(zhì)填充，并被密封，其中來(lái)自陰極和陽(yáng)極的接頭連接突出穿過(guò)密封，以形成正電極和負(fù)電極連接以給電池充電/放電。

例子3：從例子1的ipc層形成電池

例子1的具有ni+nisiipc層的硅基板將被用作鋰離子電池中的陽(yáng)極材料。25μm厚的銅網(wǎng)孔被浸入到2wt％pvdf和4wt％碳黑的溶液中。一個(gè)網(wǎng)孔被放置在每個(gè)陽(yáng)極表面上并被按壓，并在按壓狀態(tài)中被加熱到120℃達(dá)10分鐘，以形成例子1中的陽(yáng)極上的網(wǎng)孔和多孔ni層之間的電連接。使用網(wǎng)孔切割器來(lái)切割網(wǎng)孔的三側(cè)上垂懸，留下一側(cè)繼續(xù)垂懸。該網(wǎng)孔隨后被焊接到ni接頭，其被用作到裝置外部的環(huán)境的連接。陽(yáng)極+ipc集電體在樣本上被25μm厚的隔離體包裹，以及傳統(tǒng)的單側(cè)涂覆和壓延的陰極箔被用在陽(yáng)極/隔離體組合的任一側(cè)。利用鋁接頭來(lái)為每個(gè)陰極箔形成結(jié)構(gòu)。組件隨后被傳統(tǒng)的鋰電池袋材料涂覆，用電解質(zhì)填充，并被密封，其中來(lái)自陰極和陽(yáng)極的接頭連接突出穿過(guò)密封，以形成正電極和負(fù)電極連接以給電池充電/放電

例子4：在顆粒陽(yáng)極和顆粒陰極上形成ipc層

10μm厚的聚酯箔被用作基板。在n-甲基吡咯烷酮中混合重量比為90:5:5的mcmb石墨顆粒(10μm的平均粒子尺寸)、碳黑和聚偏氟乙烯(pvdf)的溶液以形成漿液。該漿液被涂覆在聚酯箔上，并在通過(guò)20噸的壓延輥發(fā)送以得到120μm的目標(biāo)厚度前被強(qiáng)制對(duì)流干燥。利用重量比為90:2.5:2.5:5的licoo2、石墨、碳黑和聚偏氟乙烯(pvdf)溶液進(jìn)行類似的處理。該漿液被涂覆在聚酯箔上，并在通過(guò)20噸的壓延輥發(fā)送以得到100μm的目標(biāo)厚度前被強(qiáng)制對(duì)流干燥。25μm厚的銅網(wǎng)孔被浸入到2wt％pvdf和4wt％的碳黑的溶液中。網(wǎng)孔被放置在陽(yáng)極的表面上，并被按壓，并在按壓狀態(tài)中被加熱到120℃達(dá)10分鐘，以形成網(wǎng)孔和陽(yáng)極材料涂敷的聚酯膜之間的電連接。使用網(wǎng)孔切割器來(lái)切割網(wǎng)孔的三側(cè)上的懸垂，留下一側(cè)懸垂。該網(wǎng)孔隨后被焊接到ni接頭，其被用作到裝置外部的環(huán)境的連接。20μm厚的鋁網(wǎng)孔被浸入到2wt％pvdf和4wt％碳黑的溶液中。網(wǎng)孔被放置在陰極表面上，被按壓，并在按壓狀態(tài)中加熱達(dá)10分鐘，以形成網(wǎng)孔和陰極材料涂敷的聚酯膜之間的電連接。使用網(wǎng)孔切割器來(lái)切割網(wǎng)孔的三側(cè)上的懸垂，留下一側(cè)懸垂。該網(wǎng)孔隨后被焊接到al接頭，其被用作到裝置外部的環(huán)境的連接。陽(yáng)極+ipc和陰極+ipc層被組裝到一起，其間的具有25μm的聚烯烴隔離體材料用作隔離體。組件隨后被傳統(tǒng)的鋰電池袋材料覆蓋，并被電解質(zhì)填充，并被密封，其中來(lái)自陰極和陽(yáng)極的接頭連接突出穿過(guò)密封，以形成正電極和負(fù)電極連接以給電池充電/放電。

例子5：在顆粒陽(yáng)極上形成ipc層

10μm厚的聚酯箔被用作基板。重量比為90:5:5的mcmb石墨顆粒(10μm的平均粒子尺寸)、碳黑和聚偏氟乙烯(pvdf)溶液被混合在n-甲基吡咯烷酮中以形成漿液。該漿液被涂在聚酯箔上，并在通過(guò)20噸壓延輥發(fā)送以得到120μm厚的目標(biāo)厚度前被強(qiáng)制對(duì)流干燥。利用重量比為90:2.5:2.5:5的licoo2、石墨、碳黑和聚偏氟乙烯(pvdf)溶液進(jìn)行類似的處理。該漿液被涂在聚酯箔上，并在通過(guò)20噸壓延輥發(fā)送以得到100μm的目標(biāo)厚度前被強(qiáng)制對(duì)流干燥。由nmp中90％重量、直徑為2-5μm的銅顆粒、8％的石墨和2％的pvdf組成的漿液被涂覆在陽(yáng)極頂部，并使用強(qiáng)制對(duì)流方方法被干燥。產(chǎn)生的膜再次被通過(guò)20噸壓延輥傳輸，以達(dá)到130μm的目標(biāo)厚度，這占據(jù)了ipc層10μm的厚度。用基于石墨的導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂將鎳接頭附加到電極的一個(gè)邊緣，以提供到裝置外部的環(huán)境的電連接。該陽(yáng)極+ipc層被與具有鋁接頭連接的傳統(tǒng)陰極材料組裝到一起，其間的25μm聚烯烴隔離體材料用作隔離體。該組件隨后被傳統(tǒng)的鋰電池袋材料覆蓋，用電解質(zhì)填充，并被密封，用來(lái)自陰極和陽(yáng)極的接頭連接突出穿過(guò)密封，以形成正電極和負(fù)電極連接以便給電池充電/放電。

例子6：具有ipc層的燒結(jié)顆粒電極的形成

粉末形式的2克的硅顆粒樣本(-325篩目)被浸入到50毫升的0.1mniso4·6h2o和5mnh4f溶液中30秒。溶液的ph值被維持在8.5，且操作溫度是85℃。利用被組裝為布氏漏斗(buchnerfunnel)的濾紙頂部上的粉末進(jìn)行沉積。在沉積期間觀察到有力的氣泡，指示鎳置換反應(yīng)。通過(guò)在布氏漏斗中施加真空而排出溶液。樣本用dl水清洗10分鐘以移除微量的鹽污染。粉末被獲取并在空氣中以80℃被干燥12小時(shí)。另外，25μm厚的鎳網(wǎng)孔在150℃被熱按壓到聚酯箔，以便25μm的網(wǎng)孔的大約5-10μm被嵌入到聚酯箔中。置換鎳涂敷的粒子被分散在含有羧甲基纖維素的水溶液中，并被涂在網(wǎng)孔/聚酯基板上。涂覆的網(wǎng)孔被干燥以移除水分。一旦干燥，聚酯膜從后端被剝離，留下網(wǎng)孔和涂覆的陽(yáng)極漿液。該混合物在氬氣氣氛中被加熱到850℃，以將硅化鎳涂覆的顆粒彼此燒結(jié)，并將硅化鎳涂覆的顆粒燒結(jié)到鎳網(wǎng)孔。產(chǎn)生的燒結(jié)電極隨后被用作陽(yáng)極材料，鎳網(wǎng)孔表面被布置為最接近隔離體界面。

例子7：離子導(dǎo)體層+作為ipc的圖案化的金屬

25μm厚的聚酯箔被用作基板，其頂上濺射沉積有1μm厚的非晶硅陽(yáng)極材料。樣本隨后被涂有10μm厚的光致抗蝕劑，其隨后被用落著襯墊(landingpad)線圖案化。該樣本隨后用2μm的銅沉積，在溝槽中和在光致抗蝕劑上沉積，以形成完全的膜。隨后，抗蝕劑在熱nmp溶液中被剝除以在光致抗蝕劑圖案上移除并底切cu金屬，留下線圖案化的樣本。樣本隨后在存在氮?dú)鈺r(shí)的從磷酸鋰靶的濺射涂覆，被濺射沉積有0.25μm厚的氧氮化鋰磷(lipon)膜。這種組合被用作鋰離子電池中的陽(yáng)極。

鑒于上述情況，可見(jiàn)達(dá)到了本發(fā)明的一些目標(biāo)，并獲得了其他有益結(jié)果。

當(dāng)介紹本發(fā)明或其一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的元件時(shí)，冠詞“一”、“一個(gè)”、“該”和“所述”旨在存在一個(gè)或多個(gè)元件。術(shù)語(yǔ)“包含”、“包括”和“具有”旨在是開(kāi)放式的，意味著除了列出的元件，可能還有其他元件。

可對(duì)上述冠詞、組成和方法進(jìn)行各種修改而不脫離本發(fā)明的范圍，將理解在上述描述中包含的和在附圖中示出的所有情況是示例性的，而不是限制性的。